Medição de Irradiâncias

Meteorologia Física II 17/03/2014

Objetivos

   Estudo da transformação de energia no sistema Terra-atmosfera e sua variação espaço-temporal Avaliação do balanço de radiação na superfície e ao longo da atmosfera Balanço de energia à superfície

Objetivos

  Análise das propriedades e distribuição de constituintes da atmosfera Verificação de medições de radiação realizadas a bordo de satélites artificiais e seus algoritmos

Principais grandezas medidas

 Espectro solar (~0,3 a 4,0 μm) : – Irradiância solar global incidente sobre uma superfície plana horizontal – O termo global indica que a radiação provém de todo hemisfério

Radiação solar

 Dois componentes: – Direta: transmissão decresce com  o aumento do ângulo zenital solar (aumento do caminho óptico)  Aumento da concentração dos constituintes atmosféricos

opticamente ativos

(partículas de aerossol, gases, nuvens, cristais de gelo) => aumento de atenuação!

Radiação solar

 Dois componentes: – Difusa: proveniente de todo o céu  É resultante do espalhamento de radiação solar pelas moléculas de gases, partículas de aerossol, nuvens  Exclui-se a região do disco solar  Inclui-se contribuição da reflexão da superfície que é novamente espalhada pela atmosfera ou por outra superfícies vizinhas

  Como veremos no capítulo 5, a distribuição espectral dos dois componentes é diferente A radiação difusa é mais rica de radiação com comprimento de onda mais curto que a direta.

 Irradiância solar global: Є g = Є s + Є d (4.1) Єs = Є o t D (4.2) Onde t D é a transmitância direta (fração do feixe incidente que não sofreu interação ao atravessar a atmosfera)

Para radiação monocromática:

t D (λ) = exp(-τ(λ)/cosθ o ) (4.3) τ(λ): profundidade óptica de extinção da atmosfera θ o : distância zenital solar

Espectro terrestre ( ~4 a 100

μm)

   Em geral: irradiância isotrópica e difusa Emitida por todo o sistema Terra atmosfera Medem-se, em particular: – Irradiância emitida pela superfície – Irradiância emitida pela atmosfera

Radiação Total

  Soma da radiação solar com a radiação terrestre Cobre todo o intervalo espectral desde 0,3 a 100 μm

Medidas em bandas espectrais estreitas

   Uso de filtros especiais Utilizadas para determinar a concentração de constituintes da atmosfera Exemplos: ozônio no UV, partículas de aerossol no visível, vapor d’água no NIR

Medidas direcionais em ângulos sólidos pequenos

  Obtenção de radiâncias em diferentes orientações Estudo do espalhamento de radiação pelos constituintes atmosféricos e reflexão pela superfície

Superfície

  Lambertianas – reflexão isotrópica Não lambertianas – depende da geometria

Instrumentos Convencionais

  Denominação geral:

Radiômetros

Outras: – Fotômetro – Pireliômetro – Piranômetro – Pirgeômetro

Cuidados experimentais

   Nivelamento Alinhamento Desobstrução do campo de visão  Degradação dos sensores (sujeira, umidade): - Calibração - Limpeza dos sensores

Pireliômetro

   Radiação solar direta em incidência normal Instrumento com campo de visão estreito (colimador, com abertura entre 5 a 8 o ), montado em um sistema automático que acompanha o movimento do sol Detetores: calorímetros ou termopilhas

http://rredc.nrel.gov/solar/glossary/

Piranômetro

   Irradiância solar global proveniente de todo um hemisfério A superfície deve ser perfeitamente plana e horizontal Detetores: calorímetros, termopilhas ou fotodiodos (sensores do tipo fotovoltaicos)

Domos de vidro: proteção e filtragem de radiação (< 2,8 m m) http://rredc.nrel.gov/solar/glossary/

Actinógrafo bimetálico

 Totalmente mecânico  Uma lâmina bimetálica negra, exposta à radiação solar e duas outras brancas mantidas à sombra - Negra: deforma-se por variação de temperatura e absorção de radiação solar - Brancas: deformam-se apenas por variação de temperatura - acoplamento mecânico para compensar efeito térmico da lâmina negra - deformação resultante = efeito da radiação, é transmitida a uma pena registradora

Piranômetro

  Com o auxílio de um sistema de sombreamento, pode-se medir a irradiância solar difusa Em geral utiliza-se faixa de metal curva, cuja inclinação é ajustada para acompanhar o movimento aparente do sol na abóbada celeste

Regiões espectrais específicas

  UV-A e UV-B PAR (radiação fotossinteticamente ativa) ou visível

Espectrais

    Multifilter Rotating Shadowband Radiometer (MFRSR) – medidas em determinados intervalos espectrais (centrados em 415, 500, 615, 673, 870 e 940 nm) de irradiância global e difusa Aerossol 415 e 500 nm: ozônio 940 nm: vapor d’água

Espectrais e direcionais

  Radiômetro solar/celeste: - irradiância espectral solar direta em incidência normal – fotômetro solar - irradiância espectral solar difusa celeste proveniente de diversas direções da abóbada celeste bandas espectrais: 340, 380, 440, 500, 670, 870, 940 e 1020 nm

Pirgeômetro

   Irradiância de onda longa proveniente de todo um hemisfério Em geral possui um domo de silicio para filtrar radiação solar Detetores: termopilhas

http://www.cmdl.noaa.gov/star/instfset.html

http:// www.kippzonen.com/image/common/cg1big.jpg

Exemplo – ciclo diurno

Aplicações

  Irradiância solar incidente e a refletida refletância da superfície Irradiância solar incidente, refletida, irradiâncias descendente e ascendente onda longa balanço de radiação à superfície (ou saldo de radiação)

Pirradiômetro

   Medidas do saldo de radiação total (onda curta mais onda longa) em um hemisfério Quando composto por sensores apontados para cima e para baixo – “net pirradiômetros” Detetores: termopilhas

http://www.telecom.at/schenk/8111.html

http://www.kippzonen.com/product/cnr1.html

Heliógrafo

   Medida de insolação: intervalo de tempo em que o disco solar permanece visível, entre o nascimento e o ocaso do Sol.

Esfera de vidro focaliza os raios solares em uma tira de papel especial (heliograma), onde há uma escala de tempo impressa Raios focalizados queimam o heliograma

Heliógrafo de Campbell-Stokes

Terra

 Características de alguns sensores a bordo do satélite (http://terra.nasa.gov)

CERES – Clouds and the Earth’s Radiant Energy System

  Bolômetro termistor de varredura em banda larga Bandas espectrais: - onda curta: 0,3-5,0 m m – radiação solar refletida - onda longa: 8-12 m m – radiação térmica emitida pela Terra na janela atmosférica - total: 0,3 a >200 m m – radiação total

 Calibração “on-board” com o auxílio de um difusor de radiação solar, uma lâmpada de Tungstênio e um par de cavidades de corpo negro que podem ser controladas para diferentes temperaturas

MISR – Multi-angle Imaging Spectro-Radiometer

     Radiômetro espectral com câmeras CCD para medir radiâncias em 9 ângulos diferentes Bandas espectrais: 446, 558, 672 e 866 nm Monitoramento da concentração e tipo de partículas de aerossol Quantidade, tipos e alturas de nuvens Distribuição da cobertura da superfície da terra

MODIS – MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer

   Radiômetro (fotodiodos) de varredura com filtros espectrais de interferência Intervalo espectral: 0,4 a 14,4 m m Determinar: - temperatura da superfície (continente e oceano) e detecção de pixels de fogo; - cor dos oceanos; - mapas globais de vegetação - características de nuvens - concentração das partículas de aerossol e suas propriedades

MOPITT – Measurements Of Pollution In The Troposphere

   Radiômetro de varredura – radiação infravermelha em três bandas de absorção do CO e do CH 4 Bandas espectrais: 2,3 (CH 4 ), 2,4 (CO) e 4,7 m m (CO) Calibração é realizada no próprio satélite com uma cavidade de corpo negro de alta temperatura

Sensoriamento remoto

   Meteorologia Controle de poluentes atmosféricos superfícies – mudança de solo, focos de queimadas, produtividade agrícola, áreas alagadas, reservas naturais